Електростатика

Стружинки привлекувани од наелектризиран компакт диск.

Електростатика е гранка на науката која се занимава со појавите кои произлегуваат од стационарни или од електрични полнежи кои се движат бавно.

Уште од античко време се знаело дека некои материјали како килибар привлекуваат лесни честички после триење. Грчкиот збор за килибар, ήλεκτρον (електрон), е извор за поимот електрична енергија. Електростатичките феномени произлегуваат од сили со кои електричните полнежи си дејствуваат едни на други. Таквите сили се опишани со Кулоновиот закон. Иако ваквите сили се чини дека се прилично слаби, електростатичката сила помеѓу електронот и протонот кои заедно го сочинуваат водородниот атом, е околу 40 реда на големина посилно од гравитациската сила која дејствува помеѓу нив.

Електростатиката е област од електротехниката која се занимава со проучуванје на својствата на неподвизни наелектризирани честицки и теле и сите појави,закони коишто се сврзани со нив

Електростатичко поле е посебна состојба на просторот околу секое наелектризирано тело или честичка

Електричен потенцијал е работа којашто е потребен пробен полнеж од 1К за да се пренесе од пеференцијалната точка N до посматрана точка М единица во која се мери е 1V

Електричен напон претставува пазлика на потенцијал помеѓу две точки во електростатичко поле

Електростатичките феномени вбројуваат голем број примери, почнувајќи од привлекувањето на проѕирна фолија со твојата рака откако ќе биде отстранета од пакетот, до штетата на електронските компоненти додека се произведуваат или работата на фотокопирите. Електростатиката вклучува собирање на полнеж на површината на предметите поради контакти со други предмети. Иако задолжителна размена се случува секогаш кога било кои две површини се во контакт, ефектите од ваква размена обично се забележливи кога барем едната од двете површини има висока отпорност на електричен проток. Тоа е затоа што полнежите кои се трансферирани од и до високо отпорната површина се помалку или повеќе заробени за доволно долго време за нивните ефекти да бидат забележани. Овие полнежи тогаш остануваат на објектот, или се заземјуваат или се неутрализираат со празнење, познатиот феномен на статичен шок е предизвикан од неутрализацијата на полнеж насобран во телото при допир со не спроводливи површини.

Фундаментални концепти

Кулонов закон

Фундаментална равенка на електростатика е Кулоновиот закон, кој ја опишува силата помеѓу две точкести полнежи. Големината на електростатичка сла помеѓу две точкести полнежи Q₁ и Q₂ е правопропорционална на производот на полнежите и обратен пропорционално до површината на сфера чиј полупречник е еднаков НА растојанието помеѓу двата полнежа.

$F={\frac {Q_{1}Q_{2}}{4\pi r^{2}\varepsilon _{0}}}\ ,$

Каде што, ε 0 е константа, наречена пермеабилитет на слободен простор , со дефинирана вредност:

$\varepsilon _{0}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {1}{\mu _{0}{c_{0}}^{2}}}=8.854\ 187\ 817\ \times 10^{-12}$   in A²s⁴ kg^-1m⁻³ or C²N⁻¹m⁻² or F m⁻¹.

Електрично поле

Електричното поле (во единици на волти нн метар) во дадена точка се дефинира како сила (во њутни) врз единичен полнеж во таа точка:

${\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}.\,$

Од оваа дефиниција и кулоновиот закон, следува дека величината на електричното поле Е создадено од точкест полнеж Q е

$E({\vec {r}})={\frac {Q}{4\pi \ r^{2}\varepsilon _{0}}}.$

Електричното поле произведено од страна на дистрибуција на полнежи дадени од страна на густината на полнежи е дадено со тројниот интеграл

${\vec {E}}({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\iiint {\frac {{\vec {r}}-{\vec {r}}'}{\left\|{\vec {r}}-{\vec {r}}'\right\|^{3}}}\rho ({\vec {r}}')\,\operatorname {d} ^{3}r'.$

Гаусов закон

Гаусовиот закон кажува дека флуксот кој излегува од затворена површина е пропорционален со вкупниот полнеж кој е присутен внатре во површината. Тој ја зазема следнава интегрална форма:

$\oint _{S}\varepsilon _{0}{\vec {E}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A}}=\int _{V}\rho \cdot \mathrm {d} V.$

Или искажано на друг начин,

${\vec {\nabla }}\cdot \varepsilon _{0}{\vec {E}}=\rho .$

Поисонова равенка

Дефиницијата на електростатичкиот потенцијал, комбинирано со Гаусовиот закон даден погоре, ја дава зависноста на потенцијалот φ и густината на полнеж ρ:

${\nabla }^{2}\phi =-{\rho \over \varepsilon _{0}}.$

Оваа зависност е фо формата на поасонова равенка. ${\varepsilon _{0}}$ е пермеабилитет на вакуум.

Лапласова равенка

Во отсуство на електричен полнеж, оваа равенка ја зазема формата,

${\nabla }^{2}\phi =0,$

Која е Лапласова равенка.

Електростатичко приближување

Валидноста на електростатичкото приближување е можно поради претпоставката дека електричното поле не е вртежно:

${\vec {\nabla }}\times {\vec {E}}=0.$

Од Фарадеевиот закон, ова приближување имплицира отсутство или приближно отсуство на магнетни полиња кои варираат со времето:

${\partial {\vec {B}} \over \partial t}=0.$

Со други зборови, електростатиката не бара отсуство на магнетно поле или електрични струи. Напротив, ако магнетни полиња или електрична струја постојат, тие не смеат да се променуваат со текот на времето, или во најлош случај тие мора да се менуваат многу бавно. Во некои проблеми, како и електростатиката и магнетостатиката се бара за поточни предвидувања, но мегусебните ефекти можат да бидат игнорирани.

Електростатичен потенцијал

Поради тоа што електричното поле е неротационално, можно е да се изрази како градиент од скаларна функција, наречена електростатички потенцијал (напон). Електричното поле Е тече од региони со висок потенцијал накај региони со низок потенцијал, математички изразено како,

${\vec {E}}=-{\vec {\nabla }}\phi .$

Електростатичкиот потенцијал во дадена точка може да се дефинира како работата во единица полнеж која е потребна да се донесе полнежот од бесконечност до дадената точка.

Трибоелектрични серии

Трибо електричен ефект е вид на електрификација поради контакт во која одредени материјали стануваат наелектризирани кога се доведуваат во контакт со различен материјал и потоа се одвојуваат. Еден од материјалите се стекнува со позитивен полнеж а другит со еднаков негативен полнеж. Поларитетот и силата на полнежите се разликува со зависност од материјалите, површинска грубост, температура, притисок, како и други својства. На пример килибарот, може да добие електричен полнеж при триење со материјал како волна. Ова својство, прво забележано од Талес од Милет, бил првиот електричен феномен истражуван од страна на луѓето. Други примери на материјали кои можат да се здобијат со полнеж кога се тријат еден од друг вклучува стакло со свила, тврда гума со крзно.

Електростатички генератори

Присуството не неизбалансирани површински полнежи значи дека предметите ќе бидат изложени на привлечни или одбивни сили. Оваа површинска нерамнотежа, која дава статички електрицитет, може да биде генерирано со допирање на две различни површинии потоа одвојувајки ги поради феномените на електрификација при контакт и трибоелектричен ефект. Триење на две неспроводливи површини генерира голема сума на статички електрицитет. Ова не е само резултат на триење, две неспроводливи површини можат да се електрифицираат дури и ако едната само се стави на врвот на другите. Бидејќи повеќето површини имаат груба текстура, потребно е подолго време да се постигне за полнење преку контакт отколку преку триење. Обично, изолаторите, супстанции кои не пренесуваат електрична енергија се добри и за генерирање и за држење на површински полнеж. Некои примери на вакви супстанции се гума, пластика, стакло. Спроводливите објекти само ретко произведуваат нерамнотежа на полнежот, освен кога на пример кога на метална површина се додава цврсти или течни не спроводници. Полнежот кој се пренесува во текот на електрификацијата се складира на површината на секој објект. Статични електрични генератори, уреди кои создаваат многу висок напон при многу ниска струја и се користат за физички демонстрации во образованието се базирааат на овој ефект.

Неутрализација на полнежите

Природните електростатички феномени се познати како повремена навреденост во сезоните на мала влажност, но може да биде деструктивно и штетно во некои ситуации (на пример производството на електроника). Кога работите во директен контакт со интегрирано електрично коло (посебно деликатно МОСФЕТ) или во присуство на запаливи гасови, мора да се внимава за да се избегне акумулирање и одеднаш празнење на статичкото плакање.

Индукција на полнеж

Индукција на полнење се случува кога негативно налектризиран објект ги одбива електроните на друг објект. Ова создава регион во вториот предмет што е повеќе позитивно наелектризиран. Тогаш постои привлечна сила помеѓу објектите. На пример, кога се трие балон, тогаш балонот ќе се залепи за ѕидот бидејќи привлечна сила се создава помеѓу двете наелектризирани површини. (површината на ѕидот добива електричен полнеж поради индукција, бидејќи електроните на површината на ѕидот се одбиваат поради негативно наелектризираниот балон, правејќи позитивна површина на ѕидот која пак е привлечена кон површината на балонот. Овој ефект може да биде истражен со симулација на балон и статички електрицитет.

Статички електрицитет

Пред 1832 година, кога Мајкл Фарадеј ги објави резултатите од експерименти за идентитетот на електрицитетите, физичарите мислеле дека статистичкиот електрицитет бил многу поразличен од другите електрични полнежи. Мајкл Фарадеј покажал дека електричната енергија произведена од магнет, електричната енергија произведена од страна на батеријата и статичкиот електрицитет се исти феномени. Статичкиот електрицитет обично е предизвикан кога некои материјали се тријат едни од други, како волна на пластика или гон од чевли врз килим. Овој процес предизвикува електроните да се повлечат од површината на еден од материјалите и да се преселат на површината на друг материјал. Статичен шок се случува кога површината на вториот материјал која е негативно наелектризирана со елестрони допира спроводник кој е позитивно наелектризиран или обратно. Статичкиот електрицитет најчесто се користи во филтри за воздух и во некои автомобилски бои. Статички електрицитет е наталожување на електрични полнежи на два објекта кои се одделени еден од друг. Мали електрични компоненти можат многу лесно да бидат оштетени од статичкиот електрицитет. Произведувачите користат многу антистатички уреди за да се избегне ова.

Статички електрицитет и хемиската индустрија

Кога различни материјали се донесени заедно и потоа се одвојат, може да настане акумулација на електрично полнење кое го остава едниот материјал позитивно наелектризиран додека другиот е негативно наелектризиран. Благиот шок кој го добивате поради допирањето на заземјен објект после одење по килим е пример на вишокот на електрично полнење кое се акумулира во телото поради триењето на чевлите со килимот. Резултантниот полнеж низ вашето тело може да генерира силно електрично празнење. Иако експериментите со статичкиот електрицитет можат да бидат забавни, слични искри создаваат сериозни опасности во оние индустрии кои се занимаваат со запаливи супстанции, каде што една мала искра може да запали експлозивни смеси со катастрофални последици. Сличен механизам за полнење може да се случи во рамките на течности со ниска спроводливост кои течат низ нафтоводи – процесс наречен електрификација низ проток. Течностите кои имаат ниска електрична спроводливост( под 50 пико сименс на метар, каде пикосименс на метар е мерка за електрична спроводливост) се нарекуваат акумулатори. Течностите кои имаат повеќе од 50pS/m се не-акумулатори. Во не-акумулаторите, полнежите се рекомбинираат веднаш штом ќе се одвојат па така електростатичкото производство на полнеж не е значајно. Во петрохемиската индустрија 50pS/m e препорачлива минимална вредност на електричната спроводливостза соодветно отстранување на полнежи од течноста. Важен концепт за изолација на течностите е време на статична релаксација. Ова е слично на временската константа во рамките на RC коло. За изолациски материјали, тоа е односот на статичката диелектрична констата, поделена со електричната спроводливост на материјалот. За јаглеводородни течности, ова понекогаш се поистоветува со делење на бројот 18 со електричната спороводнивост на течноста. Така, течност која има електрична спроводливос од 1PS/cm (100PS/m) ќе има време на релаксација околу 18 секунди. Вишокот на полнеж во рамките на една течност, речиси целосно се троши во 4-5 пати подолго од тоа време, или околу 90 секунди во горенаведениот пример. Генерацијата на полнење се зголемува со зголемувањето на брзините и пречниците на цевките, станувајки значајна во 8инчни цевки (200mm) или поголеми. Статичната генерација на полнежи е најдобро контролирана со ограничувањето на брзините на течностите. Британскиот стандард BS PD CLC/TR 50404:2003 (поранешен BS-5958-Part 2) Кодекс на пракса за контрола на несакани статички електрицитет препишува граници на брзината.Поради своето големо влијание врз диелектричната константа, препорачаната брзина за јаглеводородни течности кои содржат вода треба да се ограничи на 1 m/s. Сврзување и заземјување се вообичаените начини со кои наталожувањето на полнежи може да биде спречено. За течности со електрична спроводливост под 10PS/m сврзување и заземјување не се адекватни и анти статички адитиви би можеле да бидат потребни.

Применливи стандарди

1. 1.BS PD CLC/TR 50404:2003 Код на пракса за контрола на несакан статички електрицитет
2. 2.NFPA 77 (2007) препорачана пракса за статички електрицитет
3. 3.API RP 2003 (1998) заштита од несреки кои произлегуваат од статична струја и молњи

Електростатичка индукција во комерцијални апликации

Принципот на електростатичка индукција има корисен ефект во индустријата многу години почнувајќи од воведувањето на електростатичко бојадисување на индустриски системи за економична примена на енамел и полиретански бои до потрошувачка стока, вклучувајќи автомобили, велосипеди и други производи.

Наводи

• Фарадеј Мајкл: Експериментални истражувања во електрицитет. Лондон, Кралски институт, 1983
• Халидеј Давид, Роберт Ресник, Кенет Кране: Физика. Џон Вилеј и синовите, Њујорк, 1992
• Грифитс Давид: Вовед во електродинамиката.ЊуЏерси Прентис Халл, 1999